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      人工濕地中生物修復(fù)污水的應(yīng)用與研究進(jìn)展

      2019-01-19 06:17:39劉冉蘭汝佳趙海燕
      江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2019年22期
      關(guān)鍵詞:生物修復(fù)面源污染人工濕地

      劉冉 蘭汝佳 趙海燕

      摘要:隨著城市化進(jìn)程及工農(nóng)業(yè)的發(fā)展,水土環(huán)境污染問題不斷加劇。人工濕地的構(gòu)建是一種高效、可持續(xù)的面源污染協(xié)同修復(fù)途徑,人工濕地主要利用植物和微生物聯(lián)合機(jī)制對(duì)水污染的環(huán)境進(jìn)行修復(fù),成本低、能耗少、管理運(yùn)營方便且環(huán)境友好,是一種大有潛力的污水修復(fù)技術(shù)。本文闡述了人工濕地中各個(gè)組成的作用和機(jī)制,并對(duì)未來人工濕地中生物修復(fù)需要開展的研究作了分析和展望。

      關(guān)鍵詞:人工濕地;面源污染;富營養(yǎng)化;生物修復(fù);研究進(jìn)展

      中圖分類號(hào): X71;X171.4 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A ?文章編號(hào):1002-1302(2019)22-0030-07

      近20余年來,隨著城市化進(jìn)程深入和工農(nóng)業(yè)的迅猛發(fā)展,我國水土環(huán)境污染問題不斷加劇,并威脅以農(nóng)-林-水為要素的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)安全,在長(zhǎng)三角地區(qū)尤為突出[1]。歸納起來,主要問題表現(xiàn)為以下3個(gè)方面:(1)水土環(huán)境中重金屬、有機(jī)污染嚴(yán)重,土壤質(zhì)量下降,影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn);(2)農(nóng)業(yè)面源污染形勢(shì)嚴(yán)峻,對(duì)區(qū)域水土環(huán)境產(chǎn)生威脅;(3)水土環(huán)境惡化及不合理開發(fā)導(dǎo)致生物棲息地喪失,生物多樣性下降。

      面源污染形勢(shì)日益嚴(yán)峻,對(duì)區(qū)域水土環(huán)境產(chǎn)生威脅。我國農(nóng)業(yè)源的化學(xué)需氧量(chemical oxygen demand,COD)、全氮(total nitrogen,TN)和全磷(total phosphorus,TP)排放量已經(jīng)超過生活源和工業(yè)源,成為我國主要污染源[2]。目前,我國農(nóng)業(yè)污染面臨局部改善、整體加劇、環(huán)境約束加深的態(tài)勢(shì),如何保證在農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和糧食穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的條件下防治農(nóng)業(yè)面源污染,是我國當(dāng)前面臨的不得不解決的難題。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)藥、化肥、地膜等的不合理或過量使用,是面源污染的主要來源之一[3];畜禽養(yǎng)殖業(yè)中畜禽糞便若不經(jīng)任何無害化處理就直接排放,不僅污染養(yǎng)殖場(chǎng)周圍環(huán)境,導(dǎo)致大氣污染,更是我國江河湖泊等水體富營養(yǎng)化的主要污染源[4]。水產(chǎn)養(yǎng)殖密度的不斷加大,導(dǎo)致養(yǎng)殖環(huán)境惡化加劇,養(yǎng)殖病害增多,使得大面積死魚等現(xiàn)象頻頻發(fā)生;抗生素的濫用影響水產(chǎn)品品質(zhì)及水體質(zhì)量,導(dǎo)致養(yǎng)殖水體污染加劇,TN、TP等營養(yǎng)素增多,影響?zhàn)B殖業(yè)的同時(shí)又會(huì)污染周邊水域,這些問題嚴(yán)重限制了養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[5-6]。生活垃圾及工業(yè)三廢(廢水、廢氣、廢渣)的排放也加劇了面源污染,并進(jìn)入食物鏈,危害人類身體健康、生活質(zhì)量和生命安全。在自然降水或農(nóng)田灌溉中,污染物容易進(jìn)入附近水體,導(dǎo)致農(nóng)業(yè)面源污染問題日益嚴(yán)峻和突出。

      面源污染中主要污染物是N、P等,實(shí)現(xiàn)N、P的循環(huán)利用,不僅可以減少環(huán)境污染,也可補(bǔ)充農(nóng)作物生產(chǎn)所需養(yǎng)分,實(shí)現(xiàn)污染生態(tài)治理與養(yǎng)分高效利用的雙贏,對(duì)我國這樣一個(gè)資源短缺國家的發(fā)展是非常重要的。因此,從發(fā)展趨勢(shì)來看,在單項(xiàng)技術(shù)突破的基礎(chǔ)上,對(duì)面源污染實(shí)行系統(tǒng)控制,實(shí)施污染源頭減量(reduce)-前置阻斷(retain)-循環(huán)利用(reuse)-生態(tài)修復(fù)(restore)的4R技術(shù)體系,可實(shí)現(xiàn)對(duì)全類型、全過程、全流域(區(qū)域)的控制,是我國農(nóng)業(yè)面源污染治理的重要發(fā)展方向。為此,人工濕地應(yīng)運(yùn)而生。

      1 人工濕地及其應(yīng)用概述

      1.1 人工濕地概況

      人工濕地(constructed wetlands)是模擬自然濕地機(jī)制的人工生態(tài)工程化的地面,可利用物理、化學(xué)和生物的協(xié)同作用對(duì)污水開展凈化,效果穩(wěn)定,且具有投資小、能耗低、節(jié)水、供肥、運(yùn)行管理方便等優(yōu)點(diǎn)。人工濕地對(duì)天然濕地在功能方面進(jìn)行了強(qiáng)化,并對(duì)天然濕地進(jìn)行了一些補(bǔ)充及恢復(fù)建設(shè),可以明顯增強(qiáng)污水凈化能力[7-9],其主要利用土壤、人工介質(zhì)、植物、微生物的物理、化學(xué)、生物三重協(xié)同作用對(duì)污水等進(jìn)行處理;其作用機(jī)制主要包括吸附、滯留、過濾、氧化還原、沉淀、微生物分解、轉(zhuǎn)化、植物遮蔽、殘留物積累、養(yǎng)分吸收及各類動(dòng)物的作用,以此來去除流經(jīng)污水中的懸浮物、有機(jī)物、病原體、營養(yǎng)素和重金屬等。按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為表面流人工濕地(surface flow constructed wetland,F(xiàn)WS)、潛流人工濕地(subsurface-flow constructed wetland,SSF)和混合流人工濕地(hybrid flow constructed wetland,HFS)[7],其中SSF又包括水平潛流人工濕地(horizontal subsurface flow wetland,HSSF)(圖1)[8]和垂直潛流人工濕地(vertical-flow constructed wetland,VSSF)[9]。在處理各種污水的過程中多種類型的濕地可以單獨(dú)使用,也可以結(jié)合使用,合理結(jié)合不同類型的濕地構(gòu)建循環(huán)水系統(tǒng)可以使系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)定性和凈水效果。

      1.2 人工濕地處理污水現(xiàn)狀與研究

      人工濕地系統(tǒng)的研究與應(yīng)用在很多發(fā)達(dá)國家起步較早,已取得顯著成效,但在發(fā)展中國家應(yīng)用很少,技術(shù)發(fā)展也很緩慢。在很多發(fā)展中國家,污水廢水處理的基礎(chǔ)設(shè)施十分落后甚至沒有建設(shè),這造成大量廢水被直接排入江河湖海,浪費(fèi)了大量可循環(huán)使用的水資源,同時(shí)對(duì)河流湖泊和海洋都造成了極大的污染。人工濕地廢水處理系統(tǒng)是一種污水凈化再循環(huán)使用的工程設(shè)施,包括生物、化學(xué)、物理等多個(gè)處理模塊[7-9]。近年來,隨著人們對(duì)生態(tài)環(huán)境的重視,人工濕地廢水處理系統(tǒng)以其低成本、可持續(xù)、再循環(huán)的優(yōu)勢(shì),作為新興的戰(zhàn)略措施正在發(fā)展中國家興起[10]。

      人工濕地已被成功用于減輕環(huán)境污染,如去除廢水中種類繁多的污染物,包括有機(jī)物、懸浮物、病原體、重金屬和養(yǎng)分等,其去除效率高、成本低、操作簡(jiǎn)單,能夠?qū)︷B(yǎng)分和水分進(jìn)行再利用,成為越來越受歡迎的污水處理技術(shù)[11]。Gill等依托高速公路構(gòu)建人工濕地,9年中對(duì)污水中鎘(Cd)、銅(Cu)、鉛(Pb)和鋅(Zn)的去除率分別達(dá)到5%、60%、31%和86%[12]。Yang等利用人工濕地系統(tǒng)凈化農(nóng)業(yè)徑流,減少富營養(yǎng)化農(nóng)業(yè)徑流流入河流湖泊對(duì)其造成的污染[13];Bezbaruah等利用人工濕地對(duì)污水進(jìn)行脫硫脫氮,比利用生物硝化反硝化進(jìn)行脫硫脫氮更節(jié)約成本[14];Chen等利用人工濕地工程處理工業(yè)廢水,對(duì)COD、懸浮物(suspended solids,SS)、總磷、銨態(tài)氮(NH4+-N)去除率分別可以達(dá)到61%、81%、56%、35%[15];而Zhai等利用混合人工濕地對(duì)COD、SS、TP和NH4+的去除率可以分別達(dá)到84%、95%、72%和68%[16];Nahlik等研究了5個(gè)熱帶地區(qū)由水生植物構(gòu)建的濕地,比較其處理污水中有機(jī)物和營養(yǎng)素的效力,分別對(duì)乳牛場(chǎng)、乳品加工場(chǎng)、造紙廠、垃圾填埋地的污水進(jìn)行處理,結(jié)果發(fā)現(xiàn),5個(gè)濕地系統(tǒng)中有4個(gè)能夠在排入河流之前有效降低廢水中的營養(yǎng)素水平[17]。

      2 人工濕地處理污水的生物機(jī)制

      污水的生物修復(fù)技術(shù)多種多樣,河川湖泊池塘本身就具有一定的自凈作用,一些N、P營養(yǎng)鹽在水生生物世代更替中會(huì)隨著死亡個(gè)體形成有機(jī)碎屑沉降在底泥中,另外一些被轉(zhuǎn)化為水生動(dòng)物的有機(jī)組成部分,在營養(yǎng)鹽沉積作用中顯示出一定的自凈效果。植物修復(fù)指利用植物轉(zhuǎn)移、容納或轉(zhuǎn)化污染物,消除或降低污染強(qiáng)度,達(dá)到修復(fù)環(huán)境的目的[18]。水環(huán)境植物修復(fù)中的植物包括沉水植物、挺水植物等,植物在生長(zhǎng)過程中通過一系列生理生態(tài)過程,如植株增高、根系伸長(zhǎng)、生物量積累等對(duì)污水、廢水中的營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行積累富集,植物根系也會(huì)吸收、沉淀水中的污染物,從而達(dá)到修復(fù)目的。另一種有效的生物修復(fù)手段則是微生物修復(fù),微生物修復(fù)是目前污染環(huán)境生物修復(fù)的主要形式,微生物或提取物對(duì)環(huán)境污染物具有吸收、轉(zhuǎn)化、降解等功能,可以對(duì)養(yǎng)殖污水中的營養(yǎng)素和重金屬等污染物質(zhì)進(jìn)行轉(zhuǎn)化或降解,且可以抑制有害微生物的生長(zhǎng)或繁殖,從而降低養(yǎng)殖塘中魚類的病害發(fā)生概率[5]。另外還可依賴養(yǎng)殖魚類自身的生長(zhǎng)能力進(jìn)行水質(zhì)改良,如通過放養(yǎng)一定密度的鰱魚、鳙魚等濾食性食藻魚類,減少水體中的浮游植物,或者使水體浮游植物向小型化發(fā)展等[19]。

      2.1 人工濕地中植物的作用

      濕地植物泛指生長(zhǎng)在過度潮濕環(huán)境中的植物,其生長(zhǎng)易受到介質(zhì)、氣候等條件的影響,吸收污染物的能力也隨生長(zhǎng)與生理活動(dòng)狀態(tài)的變化而變化,因而在不同條件下其污水凈化效果也不一樣。人工濕地選擇的植物必須要適應(yīng)當(dāng)?shù)氐耐寥篮蜌夂驐l件。因各種濕地植物對(duì)不同污染物的去除效果各有差異,所以多種植物組合使用,將更有利于各種污染物的全面清除,從而提高濕地系統(tǒng)的污水凈化能力。目前人工濕地植物研究的重點(diǎn)已從鳳眼蓮(即水葫蘆)轉(zhuǎn)移到蘆葦和香蒲上,蘆葦和香蒲既是我國北方與南方的常見物種,也是國際公認(rèn)的最佳濕地植物,在人工濕地中得到越來越廣泛的應(yīng)用[20-21]。陳永華等在綜合應(yīng)用原有各種濕地植物篩選與評(píng)價(jià)指標(biāo)的基礎(chǔ)上,增加植物逆境酶和基質(zhì)酶評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行聚類分析和綜合評(píng)價(jià),把17種植物分為3類,第1類為具有較強(qiáng)凈化能力的植物,即蘆葦、千屈菜、美人蕉、風(fēng)車草、水蔥、再力花和花葉美人蕉等;第2類為具有中等凈化能力的植物,即菖蒲、蘆竹、香蒲和梭魚草等;第3類為具有較弱凈化能力的植物,即鳶尾、野芋、燈心草、蔥蘭、澤瀉和花菖蒲等[22]。

      植物是人工濕地的基本組成部分,可利用大型植物或根莖類植物等去除污染物,如富集、轉(zhuǎn)移、穩(wěn)定或轉(zhuǎn)化在土壤、沉積物和水中的污染物,去除方式包括其根系對(duì)污染物的吸收、過濾、蒸發(fā)(植物揮發(fā))和微生物降解[23],從而達(dá)到徹底去除污染物的目的[24-26]。植物修復(fù)是一種綠色環(huán)保、低成本、節(jié)能節(jié)約的污水處理技術(shù)。植物修復(fù)有多種類型,對(duì)不同的污染物有不同的作用機(jī)制,如植物提取,即植物從土壤、水和沉積物中吸收和積累富集氮、磷、金屬、有毒元素等;植物降解,即利用植物降解轉(zhuǎn)化土壤、水和沉積物中的有機(jī)污染物;植物穩(wěn)定化,即利用超累積植物或耐重金屬植物降低重金屬的活性,通過植物吸附和植物根際作用降低重金屬生物有效性,從而阻止重金屬進(jìn)入水體和食物鏈[27]。

      植物修復(fù)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以原位處理污染土壤、沉積物、地下水、地表水和外部大氣,在人工濕地中利用植物處理污水具有明顯的效果,歐洲一些國家應(yīng)用該系統(tǒng)處理包括工業(yè)廢水在內(nèi)的多種類型污水,都有顯著的效果[28]。例如在人工濕地系統(tǒng)中利用大藻屬和浮萍屬等漂浮型大型植物對(duì)乳品廠廢水中的懸浮物進(jìn)行處理,總懸浮物去除的平均總體效率為86%,浮萍系統(tǒng)還可以在TN含量為73%~97%或TP含量為63%~99%的廢水中去除50%~60%的TN和TP[29]。Krishna等的研究顯示,廢水處理系統(tǒng)在最佳的調(diào)控和環(huán)境條件下,COD、生化需氧量(BOD5)、銨態(tài)氮、TN、總懸浮固體(TSS)的移除效率分別高達(dá)84%、88%、68%、58%、87%[30]。Upadhyay等在砂礫基質(zhì)上種植寬葉香蒲(Typha latifolia)和水蓼(Polygonum hydropiper),構(gòu)建人工濕地,結(jié)果發(fā)現(xiàn),寬葉香蒲的BOD5、溶解性總固體(TDS)、TSS、PO4-P、TN去除率分別達(dá)到88%、60%、70%、72%、65%,而水蓼對(duì)這些物質(zhì)的去除率分別達(dá)到79%、50%、53%、60%、53%,2種植物的種植均可有效降低廢水pH值和電導(dǎo)率(Cond)(圖2);另外,寬葉香蒲和水蓼都可以吸附金屬元素,尤其是它們的根系,寬葉香蒲根富集的Zn、Cu、Pb、Cr含量分別高達(dá)40.44、39.24、3778、19.95 μg/g,而水蓼根對(duì)它們的富集含量分別為1785、33.43、36.19、9.67 μg/g;而且,植株的重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)比較高,因此,人工濕地在有效去除污染物的同時(shí),還兼顧了環(huán)境友好和低成本運(yùn)作[8]。Sharain-Liew等利用狹葉香蒲(Typha angustifolia)這種熱帶地區(qū)的水生植物,從合成廢水中移除Pb2+,最大吸附量達(dá)到8 h之內(nèi)吸附86%的Pb2+,葉片中的Pb濃度達(dá)到25 mg/L[31]。

      人工濕地中的植物還可以修復(fù)污水中的重金屬和石油等污染物,植物可以直接從根系釋放一些酶, 例如硝基還原酶、過氧化物酶和漆酶(對(duì)苯二酚氧化酶)等,分解轉(zhuǎn)化污水中有機(jī)污染物等[32]。Oosten等的研究表明,許多鹽生植物能夠耐受并積累吸收高濃度的有毒重金屬離子[33],由于鹽生植物可以在多種不利環(huán)境中生存,因此利用它對(duì)重金屬進(jìn)行植物固定和萃取、提取方面有極大的潛力[34],這給一些鹽度較高地區(qū)構(gòu)建人工濕地提供了依據(jù);Laffont-Schwob等利用輪藻修復(fù)污水中的重金屬,對(duì)Cu、Zn、Cd和Pb等都有一定的去除作用[35];Khellaf等的研究顯示,浮萍可以從污水中成功移除61%~71%的Zn,可以在處理開始的2 d內(nèi)迅速去除水中高達(dá)60%的Zn2+和Cu2+,但在接下來的8 d中去除速率下降10%~20%[36];由于重金屬的生物毒性,浮萍植物對(duì)重金屬的去除修復(fù)有其局限性,Hou等指出,浮萍對(duì)Cd2+和Cu2+的耐受限度分別是0.5 mg/L和10 mg/L,可見對(duì)該修復(fù)植物來說,Cd2+比Cu2+有更高的毒性,從而影響其修復(fù)效果[37]。Boonsaner等的研究則證明了美人蕉等濕地植物對(duì)石油烴類的富集效果,美人蕉在21 d內(nèi)移除了根區(qū)土壤中80%的苯類物質(zhì)(包括苯、甲苯、乙苯和二甲苯)[38];熱帶觀賞灌木暹羅草在該方面也顯示了極高的去除能力,促進(jìn)了原油和重金屬污染土壤中污染物的分離,從被石油和重金屬污染的土壤中去除了高達(dá)80%的原油污染[39]。

      植物在濕地系統(tǒng)中為微生物的生存和繁殖提供基礎(chǔ)環(huán)境,且能夠促進(jìn)土壤微生物的活動(dòng)。研究顯示,植物根細(xì)胞可以分泌凝膠狀的黏膠,它是一種通過根系滲透到土壤中的潤滑劑,可以幫助根際微生物溶解不溶性營養(yǎng)物質(zhì)和回收有機(jī)營養(yǎng)元素[40-41],植物的光合作用產(chǎn)物可以通過植物根系體液滲出,如土壤糖類、有機(jī)酸和芳香化合物,富含供應(yīng)微生物生長(zhǎng)的碳和能源[42],這些滲出液可以刺激微生物趨化現(xiàn)象和反應(yīng)能動(dòng)性,進(jìn)而增強(qiáng)微生物降解有機(jī)污染物的能力[43-44]。此外,濕地植物還有減少水分損耗等的作用,有研究顯示,有浮萍覆蓋的區(qū)域相比其他開放的廢水處理系統(tǒng)能夠少蒸發(fā)20%的水分,從而減少該系統(tǒng)在一些干旱區(qū)域的水分耗損[45-46]。

      總之,在人工濕地中,植物可以直接吸收污水中的營養(yǎng)物質(zhì)和元素,吸附、富集有毒有害物質(zhì),其根系還會(huì)形成適宜微生物生長(zhǎng)繁殖的根際區(qū)域,為一些能夠利用、轉(zhuǎn)化污水中污染物和有毒有害物質(zhì)的微生物提供良好的生存環(huán)境,另外還可以通過根系供氧等調(diào)節(jié)水質(zhì)。此外,一些濕地植物具有一定的觀賞性,綠色植物的存在也可以增加養(yǎng)殖大生態(tài)系統(tǒng)中的氧氣含量和環(huán)境適宜性。

      2.2 人工濕地中根際微生物的作用

      在生物修復(fù)中,單一的生物類型很難應(yīng)付污水中種類繁多的污染物,植物修復(fù)能夠達(dá)到可觀的修復(fù)效果,在很大程度上是由于植物根系的微生物作用,一些固氮細(xì)菌可以合成和釋放抗生素和植物生長(zhǎng)物質(zhì)[47-48],在修復(fù)過程中,微生物是不容忽視的重要部分。人工濕地系統(tǒng)中的微生物包括好氧和厭氧微生物,它們可以轉(zhuǎn)化水中污染物,甚至可以使有機(jī)物完全礦化。Teamkao等用化學(xué)沉淀的方法凈化文具廠的廢水,結(jié)果發(fā)現(xiàn),依然存在著大量的二甘醇和COD,進(jìn)一步用微生物修復(fù)和植物修復(fù)2種方法處理發(fā)現(xiàn),微生物修復(fù)在清除二甘醇時(shí)具有比植物修復(fù)更強(qiáng)的功效,但是在清除COD時(shí)不如植物修復(fù);研究還發(fā)現(xiàn),構(gòu)建“土壤-植物”這樣的人工濕地在 8 d 內(nèi)可以全部清除二甘醇,在14 d內(nèi)可以把COD降低到 110 mg/L,如果在濕地中添加微生物,全部去除二甘醇只要 5 d,在處理11 d時(shí)就可以把COD降低到110 mg/L[49]。利用微生物技術(shù)對(duì)污水中多種污染物進(jìn)行清理是一種已經(jīng)被廣泛使用并且效益顯著、可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略[50]。在生物廢水處理系統(tǒng)中,大部分微生物以微生物聚集的形式存在,如污泥絮體、生物膜和顆粒狀等[51]。在濕地污泥中,利用多種光能自養(yǎng)菌和異養(yǎng)微生物組成微生物聚合體,經(jīng)過同化、吸附和生物降解,可從復(fù)雜廢水中去除多種污染物[52]。

      一些微生物可以廣泛利用多種形式的氮化合物,包括無機(jī)化合物NH4+-N和硝態(tài)氮(NO3--N)以及氨基酸、多肽等有機(jī)物,可通過生物降解對(duì)污染物中的有機(jī)物進(jìn)行轉(zhuǎn)化[53]。還有一些功能微生物可產(chǎn)生胞外聚合物,它是微生物分泌的一種復(fù)雜的高分子聚合物,可以吸附廢水中的有機(jī)物,具有細(xì)胞溶菌作用,且具有吸附、可生物降解等性能[51]。Ko等利用可產(chǎn)脂肪酶的細(xì)菌、真菌或放線菌來分解轉(zhuǎn)化污水中的脂肪等污染物[54]。Chandra等以蘆葦為主要濕地植物,利用其根際細(xì)菌群落對(duì)酒廠廢水進(jìn)行凈化修復(fù),結(jié)果顯示,其BOD和COD的數(shù)值分別減少了95%和96%[55]。采用化學(xué)沉淀、離子交換、特殊材質(zhì)的膜處理等傳統(tǒng)方法清理水體中重金屬,成本昂貴、操作復(fù)雜,且當(dāng)重金屬在水中的濃度低于100 mg/L時(shí),這些傳統(tǒng)方法是無效的,但一些微生物卻可以對(duì)污水中的重金屬污染起到很好的修復(fù)效果[56]。一些研究利用植物或微生物對(duì)重金屬進(jìn)行吸收或分解轉(zhuǎn)化[57-58],微生物和植物有吸附金屬的潛力,或者根據(jù)不同金屬來合成特定蛋白,從而對(duì)污染物進(jìn)行吸附[59-60]。Fosso-Kankeu等利用植物和微生物吸附土壤中的重金屬,對(duì)富集了Pb、Cr等重金屬的農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品進(jìn)行加工利用,對(duì)重金屬進(jìn)行永久性分離,其中起重要作用的是金屬結(jié)合蛋白[61]。Beveridge等的研究則將微生物的吸附能力歸因于其細(xì)胞壁上高含量的潛在化學(xué)吸附劑磷壁酸[62]。Tunali等的研究證明,芽孢桿菌屬和假單胞菌屬的細(xì)菌對(duì)鈷離子(Co2+)、鎳離子(Ni2+)、Zn2+、Pb2+等金屬表現(xiàn)出很高的吸附能力[63]。一些微生物可以修復(fù)污水中的石油類污染物,Boulton等早就發(fā)現(xiàn),微生物可以調(diào)控加氧酶系統(tǒng)氧化脂肪族和芳香烴類污染物,產(chǎn)生相應(yīng)的醇類,達(dá)到石油污染物的無害化處理[64];而Kamath等利用異養(yǎng)微生物將有機(jī)污染物代謝為CO2和水,利用植物的解毒機(jī)制將化學(xué)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為無植物毒性的代謝物[65]。Al-Baldawi等構(gòu)建“植物[碩大藨草(Scirpus grossus)]-基質(zhì)(砂礫)”人工潛流濕地,在濕地不添加根際細(xì)菌和添加根際細(xì)菌2種條件下,水體中石油烴污染物(TPH)分別被去除72%和84%,在砂礫中TPH分別被去除59%和77%,結(jié)果(圖3)顯示,根際細(xì)菌可以通過明顯緩解碩大藨草的石油脅迫,促進(jìn)植株生長(zhǎng),提高環(huán)境中污染物的去除效果[66]。

      2.3 人工濕地系統(tǒng)中動(dòng)物的作用

      人工濕地污水處理系統(tǒng)并不是依靠單一機(jī)制作用的,而是多種機(jī)制協(xié)同作用。除了植物微生物之外,還包括水生動(dòng)物。如在大菱鲆養(yǎng)殖體系中,投放濾食性水生動(dòng)物海綿(Hymeniacidon perlevis)可使得水體得到凈化[67]。濾食性動(dòng)物和腐食性動(dòng)物近年來越來越得到人們的重視,這些動(dòng)物利用它們的攝食習(xí)性可以有效降低養(yǎng)殖對(duì)水體環(huán)境造成的負(fù)面影響。張喜勤等進(jìn)行的池內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明, 草食性水溞能去除富營養(yǎng)化湖水中的TN、TP、COD、BOD等污染物,從而使水質(zhì)得到凈化[68]。因此,選擇一種較好的水體修復(fù)浮游動(dòng)物,可為養(yǎng)殖環(huán)境修復(fù)開辟一條新途徑。項(xiàng)黎新等報(bào)道,三角帆蚌(Hyriopsis cumingii)對(duì)污染水的Cr、Pb和Cd具有很大的凈化作用,經(jīng)12 d凈化處理,3種污染水體的Cr、Pb、Cd含量分別下降83%、78%、72%[69]。徐永健等的研究表明,在養(yǎng)殖水體中投放底棲動(dòng)物雙齒圍沙蠶,對(duì)系統(tǒng)底部氮、磷污染物的去除效果顯著,相比于單養(yǎng)魚處理沉積物中TN、TP含量分別降低了9.59%~10.47%、7.11%~8.18%;此外,沙蠶不同的放養(yǎng)密度對(duì)于系統(tǒng)沉積物的修復(fù)效果及養(yǎng)殖效益具有顯著影響,22.5 kg/hm2的放養(yǎng)密度既可有效修復(fù)系統(tǒng)的沉積物環(huán)境,又能促進(jìn)養(yǎng)殖效益的提升,使魚體產(chǎn)量上升156%[70]。

      3 結(jié)束語

      濕地被譽(yù)為“地球之腎”是實(shí)至名歸的,因其在蓄水、調(diào)節(jié)河川徑流、補(bǔ)給地下水和維持區(qū)域水平衡中發(fā)揮著重要作用,而且其生態(tài)系統(tǒng)中生物多樣性高,動(dòng)植物資源豐富,能有效控制沉積物、有毒物和營養(yǎng)素等污染物,是人與自然和諧共存不可或缺的部分。在水資源緊缺、污染和浪費(fèi)嚴(yán)重的今天,人工濕地污水處理系統(tǒng)以其環(huán)保、節(jié)能、可持續(xù)、低成本等優(yōu)勢(shì),若加以合理規(guī)劃和推廣,將可以成為今后主要的污水處理凈化系統(tǒng),它自成體系,操作和管理簡(jiǎn)單,不需要大量人力,建設(shè)起來后能可持續(xù)運(yùn)行,而且對(duì)于區(qū)域內(nèi)空氣、水體都有很好的凈化修復(fù)作用,隨著研究的增多和技術(shù)的完善推廣,人工濕地將成為今后涵養(yǎng)水源、防治旱澇、修復(fù)污染的重要設(shè)施,成為綠色環(huán)??沙掷m(xù)發(fā)展的一大助力。為了更好地發(fā)揮人工濕地的凈化與生態(tài)功能,未來人工濕地中生物修復(fù)須要考慮從以下幾方面開展研究。

      (1)人工濕地的作用與植物和基質(zhì)的選擇有著緊密的關(guān)系。合理選擇濕地植物及基質(zhì)依舊是人工濕地設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,因此,應(yīng)對(duì)這方面進(jìn)行更加深入的研究。如通過研究不同植物種群配置對(duì)人工濕地凈化能力的影響以及濕地中植物與微生物、基質(zhì)的協(xié)作作用,構(gòu)建一個(gè)完整合適的人工濕地植物生態(tài)系統(tǒng),發(fā)揮喬灌木結(jié)合及暖、冷季植物套種的優(yōu)勢(shì)。另外,還應(yīng)對(duì)植物根際的化學(xué)和生物學(xué)特性進(jìn)行研究,探索人工濕地植物根系對(duì)污水的適應(yīng)性,分析其與氮磷、重金屬等污染物的關(guān)系。合理配置植物以優(yōu)化微生物群落結(jié)構(gòu)和功能。此外,在機(jī)理研究方面,建議采用先進(jìn)的分子生物學(xué)和基因技術(shù)等手段確定微生物的空間位置和群落組成,評(píng)價(jià)微生物對(duì)不同影響因素的響應(yīng),進(jìn)一步探索植物-微生物聯(lián)合脫氮除磷的機(jī)制。

      (2)研究濕地植物的生態(tài)效益、生態(tài)安全性和收割后的資源化利用。對(duì)現(xiàn)有的人工濕地污染物去除效果、生態(tài)價(jià)值等進(jìn)行分析后,探討出一套完整、系統(tǒng)、科學(xué)的評(píng)價(jià)體系,對(duì)現(xiàn)有的人工濕地植物進(jìn)行客觀、科學(xué)的生態(tài)評(píng)價(jià),使得人工濕地的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、景觀等生態(tài)服務(wù)功能得到合理使用。另外,濕地植物均具有一定的生態(tài)適應(yīng)性,通常具有很高的整體應(yīng)用價(jià)值,但有些因素會(huì)限制它們的應(yīng)用范圍,例如鳳眼蓮在一些地區(qū)可能會(huì)造成生物入侵,紫萍、浮萍等生長(zhǎng)不易控制,亦會(huì)形成生物入侵。濕地植物收割后的資源化利用也頗為重要。例如將濕地植物收割后加工成生物炭,既可以作為濕地填料提高對(duì)污水的凈化效果,也可以作為土壤改良劑施入農(nóng)田;或者將濕地植物替換成具有經(jīng)濟(jì)效益的水生植物(如水稻、觀賞植物等),通過收割,既可以去除濕地系統(tǒng)中積累的營養(yǎng)物質(zhì),又可以獲得經(jīng)濟(jì)效益。

      (3)研究濕地植物的繁殖生長(zhǎng)行為,加強(qiáng)植物在污水中的抗逆性研究,尤其要結(jié)合越冬期的寒冷、春季的復(fù)蘇、夏季的高溫等環(huán)境因素,以便于選擇植物能夠更好地適應(yīng)人工濕地環(huán)境,并維持濕地的高效率去污能力。

      (4)加強(qiáng)人工濕地生物修復(fù)養(yǎng)殖廢水中抗生素效果及其動(dòng)態(tài)的研究。以前的研究主要側(cè)重于富營養(yǎng)化和重金屬的去除等方面,對(duì)抗生素生物修復(fù)研究觸及很少。而抗生素和重金屬等均廣泛存在于畜禽養(yǎng)殖業(yè)的廢水中。這些抗生素進(jìn)入水體不僅對(duì)水生動(dòng)植物的生長(zhǎng)發(fā)育造成影響,還會(huì)誘導(dǎo)環(huán)境微生物產(chǎn)生抗生素抗性基因,對(duì)公共衛(wèi)生安全造成潛在威脅。仍須要進(jìn)一步篩選富集能力強(qiáng)的濕地植物,深入研究濕地植物固定、吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)抗生素、重金屬的機(jī)制,并采用基因工程和分子生物學(xué)技術(shù),增強(qiáng)濕地植物去除抗生素和重金屬的功能。

      (5)除了陸上不確定的污廢水排放入海之外,船舶污水、石油開采廢水和海水養(yǎng)殖廢水是主要的海水污染源。這些典型污染源廢水的處理還處于研究階段,至今沒有固定的普遍適應(yīng)任何水質(zhì)的技術(shù)。通過構(gòu)建耐鹽植物聯(lián)合根際微生物,建立近海灘涂人工濕地,處理含鹽污水,為海洋環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供新的思路與方向。

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